建筑结构设计中的优化措施研究

张雪鹏

（山西省建筑设计研究院有限公司，山西太原 030013）

0 引言

随着社会经济的迅速发展，如今，人们的经济条件、生活质量与生活水平得到明显的提高，从而对生活环境也提出更高的要求。基于时代进步及社会发展要求，如今房屋建筑结构设计中，往往会在确保质量、安全的基础上，开展结构优化设计，以实现降低成本、节能减排及提高建筑物使用功能的目标[1-9]。

1 房屋建筑结构设计中的结构设计优化

1.1 建筑结构模型的优化

在对建筑进行设计时，应优化结构设计，首先应对结构模型的设计进行优化处理。结构模型优化，可从变量、计算函数和边界约束条件等方面进行优化。在建立结构模型时，应首先从模型变量开始优化处理。结合建筑结构的实际情况，分析模型变量对结构设计的影响因素，并对这些因素进行分析，最终在结构模型中逐一体现。模型变量会对结构设计造成较大影响，因此在进行结构设计时，结构设计人员应对各种单一或复合因素进行综合考衡，确保结构设计满足国家现行相关规范和实际需求。除此之外，在进行结构设计时，将各种设计元素融入结构优化过程中，可有效降低结构设计人员的工作量，一定程度上提高设计人员的工作效率。

1.2 建筑主体结构设计的优化

在进行结构设计时，应首先从安全角度出发，对建筑结构的质量进行保证，确保建筑结构优化后处于安全、稳定的状态。基于上述结构设计优化理念，结构优化的原则是减少建筑用钢量、减少承重结构材料用量，但结构的整体稳定性和承载能力不受影响。建筑物的主体结构是主要承重结构，通过提高主体结构的承载能力，实现建筑物抵抗外部环境的变化，如在地震力和风荷载等水平荷载作用下，建筑物不会因此而发生倾斜或倒塌等。如对剪力墙结构进行结构设计优化时，应主要对剪力墙体构件进行优化设计，确保剪力墙构件的质量均匀，分布规则，重心和形心的基本重合，外观的规则，从而实现剪力墙结构的受力均匀和抵抗荷载变形的能力。在设计时，可通过缩短剪力墙构件的长度、相对增加剪力墙构件数量等手段，减少用钢量，实现剪力墙结构的承载能力和稳定性。剪力墙构件中往往因构造和承载的要求，需设置水平受力钢筋和纵向分布钢筋，确保剪力墙构件承受足够的水平荷载和竖向荷载。因此在对剪力墙构件进行结构设计优化时，应在满足正常承载的前提下，减少钢筋用量，实现节约钢材的目的。

1.3 房屋建筑细节的优化

随着市场经济的迅速发展，建筑行业也在蓬勃发展，但其市场竞争也日趋白热化，现阶段诸多企业在细节方面入手，来提高建筑物的质量及美观性，从而吸引消费者的青睐。基于此，房屋建筑结构设计中，开展结构设计优化的时候，也要注意对细节进行优化，根据客户要求，对房屋建筑的部分细节问题实施优化、精细化处理。例如，在空调板设计中，应根据客户使用需求来开展设计，确保设计的空调板可以为空调安装、维修等提供便利条件，并要保障其可以满足建筑安全性能的要求。再如，在阳台设计中，也要考虑客户需求来开展设计，若是居住人员较多、成分复杂，则要考虑幼童安全，将阳台高度设计为1.2m。房屋建筑结构设计中，还有很多小细节，设计师应对这些细节问题进行充分考虑，为客户提供更多的便利。房屋建筑结构优化设计中，设计师也要充分考虑当地实际情况来开展设计，适当采取一些节能设计措施，如考虑当地气候、天气条件，对卧室的光照条件进行优化设计，以减少照明时间，降低电能消耗。

1.4 排水管道系统的优化

房屋建筑结构设计中，对结构设计优化进行应用的时候，还可以对排水管道系统进行优化设计。排水系统设计是房屋建筑结构设计中的重要组成部分，其复杂程度较高，应充分考虑实际情况来开展设计。特别是穿墙管道设计中，应以便于施工为原则，提前预留管道碰撞检测的空间，并做好预埋空洞的标记，以便于施工方在施工的时候可以提前预埋孔洞，避免返工问题的出现。对于需穿过承重墙的排水管道，应做好对周围的加固处理，保证承重墙的稳定性。排水管道优化设计中，应考虑施工方面的问题，避免管道绕柱问题的出现。随着科技的进步，BIM 技术在建筑设计中得到越来越多的应用。排水管道优化设计中，也可以应用BIM 技术，来开展碰撞检测，确保排水管道、建筑物的协调性，提高排水管道优化设计质量。

2 房屋建筑结构设计优化的关键点

2.1 设计理念优化

在对建筑结构进行优化设计时，应首先对设计理念进行优化。设计理念贯穿设计人员的所有设计作品中，设计理念的优化是所有优化设计的前提和关键点之一。结构优化设计后，不应对建筑的使用功能有影响，应与原建筑设计理念和功能保持一致。如结构设计优化后，会缩短剪力墙构件的长度、增加剪力墙构件的数量，可能会对结构的可靠性产生一定的影响，因此在进行结构优化设计前，应对优化后结构的可靠性进行分析，确保结构可靠性不受影响。为确保结构优化设计时的工作效率得到有效提高，在进行结构优化设计时，可使用拉氏乘子法对优化的因素进行统计和相应转化，将对优化设计的干扰性约束因素转化为非约束因素。除此之外，在进行结构优化设计时，还需对优化后的结构模型进行重新验算，确保结构满足正常承载能力和抗震承载能力的要求。若优化后的模型验算结果不满足国家现行相关规范的要求，可通过逐步调整设计参数和构件的尺寸及位置实现结构或构件满足承载力要求。

2.2 选择最优方法

结构优化设计前，应根据结构的特点，提出多项优化设计方案，最终根据实际情况和建设方要求选择最优设计方案。在满足承载力要求的前提下，实现施工便捷，建筑的美观、使用和安全不受影响。在进行结构优化设计时，设计人员会根据影响结构设计的多种因素进行选择和调整，结合大量的结构设计计算，求得最终最优的优化设计方案。通过大量的工程实践经验和科学合理的设计理念，使优化后的结构各项性能均满足要求。在结构优化设计时，设计人员首先结合原有建筑设计理念，选用最佳计算参数，去除无效或其他干扰因素，快捷、高效地取得计算结果，完成优化设计的前期工作，提高设计效率，减少设计工期。

2.3 结构模型设计

房屋建筑结构设计中，应用结构设计优化的时候，应高度重视建筑结构模型设计方面的问题进。房屋建筑结构设计中，在对建筑结构模型进行优化的时候，可以从确定约束条件、计算函数、选择变量三个方面开展：①确定约束条件。设计中，应充分考虑工程建造目的、工程预算、施工要求等因素，对施工条件进行衡量与判断，明确需要遵守的条件，确保房屋建筑结构设计符合工程实际需求。一般情况下，需要对结构的刚性、结构的稳定性、房屋的尺寸与比例等条件进行考虑；②计算函数的合理选择。房屋建筑结构优化设计的过程中，通常要对房屋横截面、钢筋的尺寸等数据进行设定，并将这些数据带入到选定函数中去，应用这些函数进行运算、分析。对计算函数进行合理选择，从而获得准确的数据，是减少成本浪费、降低工程成本、减少工程量的重要前提；③变量的选择。对于房屋建筑来说，在结构设计过程中，往往会涉及大量数据，设计师通过收集、利用这些数据，来供定稿参考，一些数据可能是定稿的关键。房屋建筑工程项目的所有相关数据，均有可能给设计造成影响，选择合适的数据，可以帮助设计师减少负担，提高工作效率。基于这样的原因，应对数据变量进行合理选择，以降低设计师的工作难度，提高房屋建筑结构设计方案的科学性、合理性。

3 结语

在对建筑结构进行优化设计时，设计人员应首先从建筑的模型开始，随后对结构的主体、建筑和水暖电等专业进行对接，在不改变原建筑设计理念的前提下，以最高效、最经济和安全的结构设计理念，提高建筑结构的整体设计质量。除此之外，在进行结构设计时，还应结合当下较为流行的BIM 技术，实现结构施工图的可视化和模拟化，避免各专业间的无形碰撞，提高结构设计水平。最终将建筑结构设计为坚固、耐久、经济的商品，同时也可为住户或用户提供舒适的居住或生活的环境。